ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ПРИ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЕ МЕТАЛЛА ОТ КОРРОЗИИ

INVESTIGATION OF POLARIZATION DEPENDENCE IF CATHODIC PROTECTION OF METAL IS USED

Evgeny Minaev

professor, doctor of technical science, professor of department of physics, Yuri Gagarin state technical university of Saratov,

Russia, Saratov

АННОТАЦИЯ

Рассмотрена методика определения скорости растворения металла при катодной защите от коррозии. Методика заключается в измерении катодной поляризационной зависимости и расчёте по формулам, представленным в докладе.

ABSTRACT

The method of determining of corrosion rate is considered. Cathodic protection of metal is used. The method is based on measuring of polarization dependence and calculation by formulas, presented in the report.

Ключевые слова:  катодная защита; поляризационная зависимость.

Keywords: cathodic protection; polarization dependence.

Катодная защита нашла широкое применение для понижения скорости коррозии металла [1]. Она широко используется при защите конструкций и оборудования в слабощелочных и нейтральных растворах, в частности в морской воде. Исследование этого вида защиты заключается в определении потенциалов в приграничном слое защищаемой поверхности и, соответственно, плотностей внешнего тока на границе металл – электролит, которые обеспечили бы понижение скорости коррозии до приемлемых значений [2], а также – плотности тока анодного растворения (скорости коррозии) при этих потенциалах. Поскольку существует не одно значение защитного потенциала, а некоторый интервал, нужно определить зависимость скорости растворения от потенциала, то есть анодную парциальную поляризационную кривую растворения металла

,

где:  – плотность тока растворения, которая является токовым показателем скорости коррозии (А/м²), её можно перевести в другой показатель (г/(м²·час)) или (мм/год), а  – электрохимический потенциал приграничного слоя. Вопрос об определении  решается на основе законов электрохимической кинетики и рассматривается в данной работе.

Одно из направлений электрохимического исследования растворения при катодной поляризации связано с использованием тафелевской зависимости скорости растворения от потенциала ( – тафелевская константа растворения)

 ,                                                                      (1)

в которую вводятся некоторые экспериментальные параметры  и , конкретизирующие условия проведения эксперимента [3]. При этом, предполагается, что исследуемая область находится на значительном удалении от равновесного потенциала растворения металла, следовательно, обратной полуреакцией восстановления ионов металла можно пренебречь.

Как известно [4], катодная поляризационная зависимость конструкционных материалов (нелегированная сталь, медные сплавы) в слабощелочных растворах имеет три характерные области. В первой области при малых значениях потенциала наблюдается электрохимическое восстановление молекулярного кислорода по реакции

                                                            (2)

с активационным контролем.

По мере смещение потенциала в отрицательную сторону, появляется вторая область, где возникает нехватка кислорода и реакция (2) протекает с диффузионным контролем, плотность тока восстановление кислорода становится равной плотности предельного диффузионного тока . В этой же области параллельно с восстановлением кислорода начинается восстановление водорода с активационным контролем, которое подчиняется тафелевскому закону

,                                                                  (3)

где:  – плотность тока восстановление водорода,  и  – соответственно плотность тока обмена и равновесный потенциал восстановления водорода;  − катодная константа водородной реакции. При этом предполагается, что исследуемая область находится на значительном удалении от равновесного потенциала , следовательно, обратной полуреакцией можно пренебречь. Теоретический анализ и многочисленные экспериментальные данные [5,6] показывает, что в этой области наблюдается точка перегиба на суммарной катодной зависимости и происходит переход от кислородного диффузионного к смешанному кислородно – водородному контролю. Скорость коррозии уменьшается в этой области 10 и более раз.

Дальнейшее смещение потенциала в отрицательную сторону приводит к переходу в третью область интенсивного восстановления водорода, которое протекает с активационным контролем по формуле (3).

В данной работе предлагается использовать в качестве параметров зависимости (1) две величины. Первая – это плотность тока растворения  в точке перегиба. Выражение для расчёта плотности тока растворения в точке перегиба  будет определено ниже. Вторая величина – это потенциал в точке перегиба . Потенциал  определяется из экспериментальной (суммарной) катодной поляризационной зависимости.

Поскольку в области перегиба протекают три реакции [7]: анодное растворение ; восстановление кислорода  (диффузионный контроль); восстановление водорода  (активационный контроль), запишем выражение для суммарной (измеряемой) плотность внешнего j тока катодной зависимости

.                                                  (4)

Продифференцируем (4) по потенциалу и, учитывая, что производная от плотности внешнего тока является обратным удельным поляризационным сопротивлением , найдём это сопротивление. Запись  подчёркивает, что  зависит от потенциала

.                             (5)

Выражая  и  через  при помощи формул (1), (3), находим

  .                                                                     (6)

Продифференцируем (6) ещё раз

,                               (7)

выразим  и  через , определим вторую производную

                                                                        (8)

Как известно из математического анализа, в точке перегиба () вторая производная равна нулю  . Следовательно, выполняются соотношения

,            .                                                            (9)

Подставим (9) в (6), тогда

.                                                                 (10)

Отсюда получается выражение для скорости анодного растворения металла в точке перегиба суммарной катодной поляризационной кривой

  .                                                                 (11)

где: . Таким образом, измеряя удельное поляризационное сопротивление  в точке перегиба, можно рассчитать скорость растворения в ней по формуле (11)                  

Для расчёта скорости растворения при других значениях потенциала, подставим в тафелевскую зависимость (1) в качестве параметров  и  величины  и , тогда

 .                                              (12)

Проверка полученных формул (11) и (12) осуществлялась путём измерения суммарной катодный зависимости нелегированной стали в морской неподвижной воде при комнатной температуре. Результаты измерений и расчётов представлены в таблице 1 и достаточно хорошо согласуются с данными литературы [8,9,10].

Таблица 1.

Катодная защита стали в неподвижной моской воде при

Список литературы:

1. Богород И.Я. Коррозия и защита морских судов / И.Я. Богород, Е.В. Искра, В.А. Климов и др. – Л.: Судостроение, 1973. – 341с.
2. Бекман В. Катодная защита от коррозии / В. Бекман, В. Швенк. – М.: Металлургия, 1984. – 381с.
3. Стрижевский И.С. Защита подземных теплопроводов от коррозии / И.С. Стрижевский, М.А. Сурис. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 294с
4. Семёнова И.В. Коррозия и защита от коррозии / И.В. Семёнова, Г.М. Флорианович, А.В. Хорошилов : под ред. И.В. Семёновой. – М.: Физматлит, 2002. – 336с.
5. Минаев Е.Н. Контроль коррозии морской техники на основе анализа электрических параметров и полей в водных средах: дис. … докт. техн. наук. – Владивосток, 1997. – 364с.
6. Люблинксий Е.Я. Коррозия и зашита судов: справочник / Е.Я. Люблинский, В.Д. Пирогов, Е.П. Куцевалова. – Л.:Судостроение, 1987. – 97с.
7. Минаев Е.Н. Математические и электрохимические методы контроля и прогнозирования коррозии металлов: монография. − Саратов: Издательство «КУБиК», 2012. – 134 с.
8. Негреев В.Ф. Протекторная защита стальных подводных сооружений / В.Ф. Негреев, М.С.Трифель, С.А. Махмандаров. – Баку: Азербайджанский институт НТИ, 1956. – 15с.
9. Алекперов Р.Э.Защита судовых систем / Р.Э. Алекперов. – М.: Транспорт, 1978. – 128с.
10. Минаев Е.Н. Исследование эффективности катодной и протекторной защиты от коррозии в морской воде электрохимическим методом / Е.Н. Минаев, Г.П. Турмов, К В.Каймаков // Исследования по вопросам повышения эффективности судостроения и судоремонта. Вып.№ 35 : сб. науч. тр. / Дальневост. гос. техн. ун-т. – Владивосток, 1994. – С.3-7